一種硅水解反應分離同步進行的方法
【專利摘要】本發明涉及一種硅水解技術，尤其是一種水解反應分離同步進行的方法，其特征在于，在硅水解分離反應器，硅粉由加料口加入，水解液由水解液入口加入，二者在錐形水解反應段發生水解反應。硅粉在反應段上部加入，因重力沉降向下段運動，隨著反應的進行，硅粉的粒徑變小，其沉降速度降低。硅粉在向下運動的過程中，反應體系中反應物濃度由上向下增加，反應產物濃度減小，其化學反應推動力隨之增強。反應液中硅酸鈉及其縮合物、氫氣向上運動，進入分離段后，氫氣通過分離段的排氣管收集，硅酸鈉溶液通過膜分離段在真空抽吸下通過分離膜與未反應的硅粉顆粒分離，實現反應與分離同步進行的目的。
【專利說明】一種硅水解反應分離同步進行的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種硅水解技術，尤其是一種水解反應分離同步進行的方法。
【背景技術】
[0002]一般制備硅溶膠的方法有以下幾種:單質硅一步溶解法、離子交換法、直接酸中和法、電解電滲析法、膠溶法和分散法等。工業生產中通常采用的是單質硅一步溶解法、離子交換法。
[0003]專利CN86104144A在72~83 °C條件下將硅粉直接與Na2SiO3或者K2SiO3反應，緩慢加料，反應完成后邊攪拌邊冷卻，并在50°C時過濾除去未反應的硅粉。專利CNlO 1121520A中使硅粉在堿性催化劑作用下水解
[0004]加入到去離子水中制備種子溶液，再次加入硅粉和堿，通過對投料量的控制以得到粒徑分布比較窄的硅溶膠產品。反應后過濾，出去未反應的硅粉。專利CN101585541A中提出了一種制備電子級硅溶膠的方法，硅粉在堿性催化劑作用下水解，過濾所得濾液先后通過粒子選擇器對粒子進行篩選和離子交換即得所需產品。專利CN1830777A中利用活性硅酸粒子在種子粒子上吸附并長大的原理，以SiO2水分散液為種子液，向其中加入堿性催化劑和硅粉，反應后過濾得產品。專利CN102173426A制備了一種高均勻度的硅溶膠，將硅、水、堿性催化劑混合后，在攪拌條件下超聲并加熱，分批加料，反應完全后出去未反應的硅粉。專利CN102101674A中將硅、水和堿性催化劑在反應釜中混合，通入蒸汽使物料混合均勻并加熱，制備母液。分批加入反應物料以控制粒徑，反應完全后除去未反應硅粉。
[0005]以上專利雖然都在某種程度上得到了所需的產品并彌補了前人的不足，但是存在一個共同的問題，即硅粉反應不完全，在反應結束后需過濾除去。這是由于硅(Si)在堿性催化劑作用下水解，生成硅酸鈉(Na2SiO3)的過程中存在反應物與產物的平行限制，即隨著Si水解，硅酸鈉的濃度不斷升高，基于化學反應平衡原理，當反應達到平衡以后，硅的水解速度近于零。現有間歇反應一般在反應接近平衡時停止反應，除未反應硅粉分離出來，再進行后續操作。雖然過濾后的硅粉可以重復利用，但不可避免的增加了后處理工序。
[0006]本發明利用硅粉顆粒水解時在水解液中所受重力、浮力與沉降阻力平衡技術、逆流接觸反應技術和反應分離技術，使得反應產物與反應物及時分離，保障硅粉完全水解，實現反應完全化和連續化。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是彌補現有技術存在的不足，提供一種利用反應分離同步進行的方法，保持反應處于不平衡狀態，使得硅粉水解完全并連續進行。
[0008]按照本發明提供的技術方案，一種硅水解反應分離同步進行的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟，其組分按重量份數計:
[0009]A、基于附圖的硅水解分離反應器由錐形的水解反應段和膜分離段組成。硅粉由加料口(5)加入，水解液由底部的水解液入口(7)加入。硅粉由反應段上部加入，因重力沉降向下段運動，同時與水解液接觸反應，發生硅的水解反應，生成硅酸鈉及其縮合物；隨著反應的進行，硅粉的粒徑變小，受到由下向上流動的水解液作用于顆粒的浮力和阻力的作用，其沉降速度由上向下逐漸降低，反應液中反應物濃度由上向下增加，反應產物濃度由下向上增加，其化學反應推動力由下向上增大。錐形反應器下段的流動通道截面由上向下縮小，通過蝶閥(6)控制水解液的進料流速，以保持未反應硅粉顆粒懸浮于水解液中進行接觸反應，直至反應完全。
[0010]B、反應液中的硅粉、硅酸鈉及其縮合物、反應產生的氫氣向上運動，進入膜分離段
(3)，氫氣通過分離段的排氣管(I)收集排出，硅酸鈉溶液通過膜分離段在真空抽吸下通過分離膜與未反應的硅粉顆粒分離，達到反應分離同步進行的目的，并由排出管(2)排出。
[0011]C、沉積于膜分離段膜表面的顆粒，定期進行反洗，以維持膜的透過液量，反洗液由反洗液入口⑷加入。
[0012]所述硅粉顆粒直徑為I μ m~2mm ;所述水解液由NaOH、KOH中的一種或幾種配制的水溶液，水的質量分數為75份~99.8份，其余為NaOH、KOH中的一種或幾種。
[0013]所述錐形反應器的錐度為5°~70°，椎體高度0.2~10m，反應溫度50°C~80°C，水解液在進料口的流速為0.01m / s~3m / s，硅粉加入量:水解液加入量為0.001:I ~0.2:1。
[0014]所述分離段為孔徑為20nm~10 μ m的分離膜，膜材料為有機高分子分離膜或無機分離膜。分離段高度為0.1m~3m，抽吸真空度為0.01MPa~0.095MPa，通過膜的透過液流
量與水解液進料量相等。 【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是硅水解分離反應器示意圖【具體實施方式】
[0016]下面結合實施例對本發明作進一步說明。
[0017]實施例1
[0018]一種硅水解反應分離同步進行的方法，其組份按重量份數計，包括以下工藝步驟:
[0019]經篩分后最大粒徑為0.5mm，平均粒徑為0.2mm的硅粉加入量7妙min，由1份NaOH與99份水構成的水解液進料量為1000g / min，錐形反應器錐度為15°、高度2m，水解液在進料口流速為0.5m / s，水解反應溫度為50°C。分離段用PES微濾膜，孔徑0.2 μ m，膜分離段高度lm。調節抽吸真空度，保持透過液量為IL / min。得到反應段底部無硅粉顆粒沉降，透過液中硅酸鈉的質量濃度為3.9%，反應分離實現連續化。
[0020]實施例2
[0021]一種硅水解反應分離同步進行的方法，其組份按重量份數計，包括以下工藝步驟:
[0022]經篩分后最大粒徑為0.3mm,平均粒徑為0.15mm的娃粉加入量8g / min,由1份NaOH與95份水構成的水解液進料量為1000g / min，錐形反應器錐度為15°、高度2m，水解液在進料口流速為0.4m / s，水解反應溫度為60°C。分離段用PES微濾膜，孔徑0.2 μ m，膜分離段高度lm。調節抽吸真空度，保持膜透過液量為IL / min。得到反應段底部無硅粉顆粒沉降，透過液中硅酸鈉的質量濃度為4.8%，反應分離實現連續化。
[0023]實施例3
[0024]一種硅水解反應分離同步進行的方法，其組份按重量份數計，包括以下工藝步驟:
[0025]經篩分后最大粒徑為0.2mm,平均粒徑為0.12mm的娃粉加入量5g / min,由1份KOH與95份水構成的水解液進料量為1500g / min，錐形反應器錐度為30°、高度2m，水解液在進料口流速為0.3m / s，水解反應溫度為60°C。分離段用PES微濾膜，孔徑0.2 μ m，膜分離段高度lm。調節抽吸真空度，保持透過液量為1.5L / min。得到反應段底部無硅粉顆粒沉降，透過液中硅酸鈉的質量濃度為3.1 %，反應分離實現連續化。
【權利要求】
1.一種硅水解反應分離同步進行的方法，其特征是，其組份按重量份數計，包括以下工藝步驟:A、基于附圖的硅水解分離反應器由錐形的水解反應段和膜分離段組成。硅粉由加料口(5)加入，水解液由底部的水解液入口(7)加入。硅粉由反應段上部加入，因重力沉降向下段運動，同時與水解液接觸反應，發生硅的水解反應，生成硅酸鈉及其縮合物；隨著反應的進行，硅粉的粒徑變小，受到由下向上流動的水解液作用于顆粒的浮力和阻力的作用，其沉降速度由上向下逐漸降低，反應液中反應物濃度由上向下增加，反應產物濃度由下向上增加，其化學反應推動力由下向上增大。錐形反應器下段的流動通道截面由上向下縮小，通過蝶閥(6)控制水解液的進料流速，以保持未反應硅粉顆粒懸浮于水解液中進行接觸反應，直至反應完全。B、反應液中的硅粉、硅酸鈉及其縮合物、反應產生的氫氣向上運動，進入膜分離段(3)，氫氣通過分離段的排氣管(I)收集排出，硅酸鈉溶液通過膜分離段在真空抽吸下通過分離膜與未反應的硅粉顆粒分離，達到反應分離同步進行的目的，并由排出管(2)排出。C、沉積于膜分離段膜表面的顆粒，定期進行反洗，以維持膜的透過液量，反洗液由反洗液入口⑷加入。
2.根據權利要求書I所述一種硅水解反應分離同步進行的方法，其特征在于所述硅粉顆粒直徑為I μ m~2mm ;所述水解液由Na0H、K0H中的一種或幾種配制的水溶液，水的質量分數為75份~99.8份，其余為Na0H、K0H中的一種或幾種。
3.據權利要求書I所述一種硅水解反應分離同步進行的方法，其特征在于所述錐形反應器的錐度為5°~7 0°，椎體高度0.2~10m，反應溫度50°C~80°C，水解液在進料口的流速為0.01m / s~3m / s，硅粉加入量:水解液加入量為0.001:1~0.2:1。
4.據權利要求書I所述一種硅水解反應分離同步進行的方法，其特征是在于所述分離段為孔徑為20nm~10 μ m的分離膜，膜材料為有機高分子分離膜或無機分離膜。分離段高度為0.1m~3m，抽吸真空度為0.01MPa~0.095MPa,通過膜的透過液流量與水解液進料量相等。
5.據權利要求書I所述一種硅水解反應分離同步進行的方法，其特征在于所述沉積于膜分離段膜表面的顆粒，定期進行反洗，反洗液為透過液、水中的一種或幾種；反洗周期為.0.1小時~20小時，每次反洗時間為5分鐘~60分鐘，反洗壓力為0.005MPa~0.085MPa,反洗溫度為20°C~50°C。
【文檔編號】C01B33/32GK103601204SQ201310556591
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月8日 優先權日:2013年11月8日
【發明者】孫余憑, 顧瑾, 白云翔 申請人:江南大學